天線是無線電通信系統(tǒng)設備非常重要的組成部分，承擔著發(fā)射和接收攜帶有通信信息的電磁波。沒有了天線，無線通信功能將是不可能實現(xiàn)的。
一、天線的作用
在無線電通信系統(tǒng)中，天線是一種輻射和接收電磁波的金屬導體系統(tǒng)，在通信鏈路中起能量轉(zhuǎn)換作用（能量轉(zhuǎn)換器）。發(fā)射機輸出的高頻電能信號通過傳輸線耦合到發(fā)射天線，轉(zhuǎn)換為電磁能量以波的形式向空中輻射；接收天線將空中的電磁能量轉(zhuǎn)換為電能由傳輸線送到接收機的輸入端。可見，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個重要的無線電設備，沒有天線也就沒有無線電通信。
二、天線的分類和主要類型
天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場合、不同要求等不同情況下使用。對于眾多品種的天線，進行適當?shù)姆诸愂潜匾模卤?/span>2-1給出了按天線的工作性質(zhì)、波段、原理、用途等11類分類方式，共給出了約近百種類型的通信天線。表中微帶天線是在絕緣介質(zhì)基片上一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用金屬微帶線構(gòu)成微帶天線。微帶線一面裸露在空氣里面，另一面附在絕緣電介質(zhì)上，所以它形成的電場一部分分布在空中，向周圍形成輻射或受到周圍的輻射干擾。微帶天線的優(yōu)缺點詳見下表2-2中，目前主要應用于移動通信、衛(wèi)星通信、合成孔徑雷達、導彈遙控、生物醫(yī)學等領域。
表2-1：無線電通信天線的分類和主要類型
表2-2：微帶天線的優(yōu)缺點
一個終端開路的傳輸線就是一種最簡單的天線形式，如圖2(a)所示，入射的電壓波在開路處出現(xiàn)相位的倒相，使部分入射電壓波向外輻射，離開天線的輻射能量以橫向電磁波的形式傳播。但是終端開路傳輸線的輻射效率極低，要想增大輻射能量，可將開路的傳輸線向兩邊展開，這就是電偶極子天線，如圖2(b)所示。圖2(c)所示傳輸線在1/4波長處展開稱為馬可尼天線；圖2(d)所示傳輸線在1/2波長處展開，為半波偶極子天線，也稱為赫茲天線，是很常用的一種簡單而實用的天線形式。
圖2：簡單的天線形式
三、天線的主要指標名稱
表征天線性能的主要技術(shù)指標有極化方式、輻射方向圖、增益、輸入阻抗、前向-后向比等。另外，天線具有互易性，同一設計既可用作發(fā)射天線也可用作接收天線，具有相同的性能和增益，在無線通信中通常都是一個天線既作發(fā)射，也作接收。
1、天線的極化方式
天線的極化涉及到輻射電場的旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)輻射電磁波的極化方向，相應的有垂直極化天線和水平極化天線，還有圓極化天線和橢圓極化天線。在一個通信系統(tǒng)路徑兩端的極化方式應該保持一致。
由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號在貼近地面時會在大地表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場信號迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳播。因此，無線通信系統(tǒng)通常使用垂直極化，非常方便地用于便攜式和移動天線。
2、輻射方向圖
天線在輻射和接收電磁波的時候具有方向性，輻射方向圖就是為了描述和定量化天線在不同方向上的輻射情況，以極坐標系統(tǒng)中的曲線圖來表示相對于天線不同方向上的電場強度或功率密度。
圖3-2-1為半波偶極子天線的輻射圖，同心圓上標示的值是功率密度(dB)。圖3-2-2是一個單向天線的輻射圖，在0 方向（最大輻射方向）有一個主波束稱為主波瓣（也可能會出現(xiàn)多個主瓣），還有若干個副波瓣。對于傳播和接收來說，主瓣聚集的能量最大，也稱前向波瓣，與前向波瓣方向相反的波瓣稱為后向波瓣，前向與后向波瓣的功率密度之比稱為前向-后向比（Front - Back Ratio)，它表明了天線對后瓣抑制的好壞。本圖的前向-后向比為15dB。
圖3-2-1：半波偶極子天線的輻射圖
圖3-2-2：一個單向天線的輻射圖
天線的波瓣寬度也是定向天線常用的一個很重要的參數(shù)，定義為天線的輻射圖中，主瓣波束上兩個半功率點（低于峰值3dB）所成夾角的寬度。顯然波瓣寬度越窄，方向性就越好。
3、天線的增益
天線增益主要是指其方向性增益，是用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力，它是選擇基站天線最重要的參數(shù)之一。
假定兩個天線總的輻射功率相等，那么將天線在某一特定方向上的輻射功率密度與一個無方向性天線（如各向同性天線）輻射功率密度之比定義為天線的增益。圖3-3給出了偶極子天線與各向同性天線相重疊的輻射圖，在主瓣方向二者的功率密度之比就是天線的增益，可以算出半波偶極子天線的功率增益約為2.15dB。
圖3-3：各向同性天線和偶極天線
天線功率密度的輻射圖就是方向性增益的方向圖，天線的輻射方向應該指向它最大輻射方向。為了獲得最大的捕獲功率，接收天線也必須指向最大接收方向。
天線增益與波瓣寬度成反比。一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。在移動通信系統(tǒng)中，天線增益對運行質(zhì)量極為重要，因為它決定蜂窩邊緣的信號電平。增加就可以在一確定方向上增大網(wǎng)絡的覆蓋范圍，或者在確定范圍內(nèi)增大增益余量。另外，表征天線增益的參數(shù)有dBd和dBi，它們的含義及換算詳見下表3-3。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠。一般地GSM基站的定向天線增益為18dBi；全向的為11 dBi 。
表3-3：dBd和dBi的含義及換算
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4、接收天線的有效面積
根據(jù)天線的互易原理，發(fā)射天線用作接收天線時，具有相同的特性參數(shù)，因此接收天線所截獲的功率密度可以表示為功率增益與接收天線周圍空間的功率密度之積，即如下式，其中各參數(shù)的含義詳見下表3-4中。
C =（Pin At Ar）/（4πR2）
表3-4：接收天線功率密度計算式中的參數(shù)
但是更多時候我們是以接收天線的有效面積來描述接收特性的。將接收天線輸出端獲得的有用功率稱為截獲功率P cap，它與接收到的功率密度以及接收天線的有效截獲面積成正比，即（參數(shù)的含義見下表3-4）：
P cap = C Ac
一般天線的橫截面積與有效截獲面積是不相等的，可以獲得比實際天線面積大得多的有效截獲面積，天線面積似乎向外延伸了。
5、輻射阻抗
因天線向空中輻射功率而引起的輸入阻抗也稱為輻射阻抗，它在數(shù)值上等于輻射功率與天線饋入點電流平方的比值。這樣，在輻射電阻上消耗的功率和輻射的功率是相等的。因此，可以用輻射電阻替代天線，但它不易測量。
注意輻射電阻并不表示天線的損耗。我們希望進入天線的輸入功率能夠全部被輻射出去，而實際上卻存在著損耗，可以用天線效率η來衡量天線損耗的大小，即
η=（Prad/Pin）×100%
式中，P rad 為天線輻射功率，P in 為天線輸入功率。功率消耗的部分以損耗電阻表示，主要包括接地電阻、電暈放電、不良的絕緣材料、渦電流等。
四、常用的簡單天線
1、簡單的天線單元
半波偶極子天線屬于最簡單的天線單元，下面是一些簡單的天線形式，包括：單極天線（如圖4-1所示）、盤錐天線、螺旋天線和片狀天線，具體詳見下表4-1。
圖4-1：單極天線
表4-1：幾種簡單天線介紹
2、天線陣列
由兩個或兩個以上的天線單元排列組合可以構(gòu)成天線陣列，通過組合使總的輻射在某些方向上得到加強，在某些方向又有所削弱，從而可以獲得更大的增益和更好的定向特性，構(gòu)成更加精良的天線。
相控陣是一種天線陣列，其中的所有天線元都要連接到饋線，由發(fā)射機提供功率用于驅(qū)動各個天線元。邊射式陣列（如圖4-2-1所示）和端射式陣列（如圖4-2-2所示）為兩種最簡單的相控陣，其含義詳見下表4-2。
圖4-2-1：邊射式陣列
圖4-2-2：端射式陣列
表4-2：邊射式陣列和端射式陣列
八木-宇田陣列是最常用的無源天線陣列，由反射器、被驅(qū)動天線元和導向偶極天線構(gòu)成，如圖4-2-3(a)所示，其中圖(b)是它的輻射圖。
圖4-2-3：八木-宇田陣列
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